電與磁的數百年情緣

1820年以前，電就是電，磁就是磁，那些聰明的「大腦」堅定著這樣的一個事實。

【正文】

01 「雞脖」同志的摩擦結論

而對電和磁最早進行比較系統的研究的，是從更早的文藝復興時期開始的，1600年，英國物理學家吉伯（1544~1603）系統總結他長期研究的成果，出版了他的巨著《磁石》。而這位吉伯同志是把用實驗方法探索自然和從理論上解釋自然這兩者相結合起來的典範，但這位老兄的職業其實是一位御用醫生。

他一生做了許多演示電和磁性質的實驗。例如，吉伯的磁球實驗；吉伯製作了第一個實驗用驗電器。通過大量細緻的實驗，吉伯發現不僅摩擦後的琥珀有吸引輕小物體的性質，還有一系列其他物體如金剛石、藍寶石、水晶、硫磺、明礬、樹脂等等也有這種性質，他把這種性質稱為電性，並且提出了磁體異極相吸、同極相斥的原理。

吉伯同志在做了無數個摩擦與摩擦的試驗後，將觀察到的電現象和磁現象進行了比較，最終，他認為電和磁是兩種截然無關的現象。

後來，這個結論對後來的電磁學的發展產生了重大影響。

02 嗯，雞脖說的對！

那個結論到底對後世有多大影響呢？影響就是以至於在他之後的兩百年里，他的後輩們都給他的結論點了贊，並深信不疑。

其中包括將吉伯同志摩擦精神發揚光大的德國科學家裡凱，他發明了能夠產生大量電荷的摩擦起電機。1729 年，英國科學家格雷仔細研究了電沿某些物體傳播的事實，並引入了導體的概念。1733 年，法國科學家杜菲發現絕緣的金屬也可以通過摩擦的辦法起電，哈哈，他認為所有的物體都可以摩擦起電。。。

十多年之後，德國物理學家克萊斯特和荷蘭物理學家穆欣布羅克於 1745 年、1746 年幾乎同時發明了萊頓瓶。1746 年，在美國費城的富蘭克林通過一位英國朋友海淘了萊頓瓶等電學實驗儀器，開始了他近10年的電學作死研究，比如大家熟知的他的「遭雷劈」的大膽試驗。

時間來到了1785年，法國物理學家庫侖提出了庫侖定律。

庫侖定律闡明，在真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力與距離平方成反比，與電量乘積成正比，作用力的方向在它們的連線上，同名電荷相斥，異名電荷相吸。

庫侖定律是電學發展史上的第一個定量規律。因此，電學的研究從定性進入定量階段，是電學史中的一塊重要的里程碑。同時也是電磁學中的一個基本定律，它的建立使電磁學真正成為一門科學。

註：在18世紀到19世紀中這段時間，數學的飛速發展（大牛歐拉、拉格朗日和拉普拉斯等人的出現），也為電磁學提供了有力的分析工具。

但大家還是相信：電與磁沒啥關係。

比如法國著名物理學家安培也在 1802年宣稱，他願意去「證明電和磁是相互獨立的兩種不同的實體」。但只要是學過物理的人，都不得不承認安培同志的偉大，在1827年，安培將他的電磁現象的研究綜合在《電動力學現象的數學理論》一書中，這是電磁學史上一部重要的經典論著，對以後電磁學的發展起了深遠的影響。

還有托馬斯·楊也在1807年的《自然哲學講義》中寫到：「沒有任何理由去設想電與磁之間存在任何直接的聯繫」。直到1819年，實驗物理學家畢奧還堅持說磁作用與電作用之間的獨立性「不允許我們設想磁與電具有相同的本質」。

03 一對好友的「愛與恨」

1786年有一天，醫生伽伐尼（1737-1798）在實驗室跟往日一樣地解剖著青蛙，把剝了皮的蛙腿用刀尖碰蛙腿上外露的神經時，蛙腿劇烈地痙攣，同時出現電火花。看到此情此景，伽伐尼同志驚呆了，立即興緻勃勃的反覆進行「火花」實驗，他最終把這種電叫做"動物電"。同時伽伐尼認為，電來自有機體內部。動物神經相當於一個萊頓瓶，金屬構成迴路，由此導電。

也許加爾瓦尼同志在發現了伽伐尼電流，並發了一篇《論在肌肉運動中的電力》的paper後，也就忘了這件事，但送給好朋友伏打論電流論文卻深深引起了他的興趣。

1792年，曾情投意合的伏打兄（1745年2月18日-1827年3月5日）開始啪啪打臉。他指出伽伐尼所言的動物電是不存在的。加爾瓦尼恰恰是弄反了一件事，不是金屬無用，恰恰是兩種不同金屬產生的電流，蛙腿則起了一個檢驗電荷是否存在的作用。

伏打和伽伐尼二人觀點不同，二人以及其擁護者開始一場大爭論。在論爭中，伏打做了一系列的實驗，結果證明他的觀點更接近正確的實驗現象。

1800年，伏打製成能產生很大電流的裝置。轉年，伏打被拿破崙宣召到法國奉命表演他的實驗，風頭一時風光無兩。而昔日的好友伽伐尼在1798年含恨去世。

當然為了紀念伽伐尼，伏打還把伏打電池叫做伽伐尼電池，引出的電流稱為加爾瓦尼電流。

04 奧斯特新時代

直到1820年4月，有一次晚上講座時，奧斯特（1777年8月14日-1851年3月9日）演示了電流磁效應的實驗。當伽伐尼電池與鉑絲相連時，靠奧斯特近鉑絲的小磁針擺動了。這一不顯眼的現象沒有引起聽眾的注意，而奧斯特非常興奮，他接連三個月深入地研究，在1820年7月21日，他宣布了實驗情況，發現了電流的磁效應。

而奧斯特關於電流磁效應的發現，使得電磁學的研究進入一個迅速發展的時期。電流磁效應的發現，也打破了電與磁的無關性的傳統信條，猛然打開了電磁聯繫這個科學中長期被閉鎖著的黑暗領域的大門，為物理學的一個新的重大綜合的實現，開闢了一條廣闊的道路。

05 法拉第的封神

電磁磁效應實驗的成功，大大鼓舞了當時30歲的法拉第（1791年9月22日－1867年8月25），在這一領域裡繼續進行深入探索的信心，並引導他同樣想到奧斯特發現的逆效應是否存在的問題。

雖然奧斯特的發現讓法拉第而激動不已，但他畢竟缺乏足夠的數學訓練，全靠自學的他根本無法理解人家的工作。比如在1822年9月3日寫給安培的一封信中，法拉第嘆息道：「很不幸，我不具備足夠的數學知識，也不具備自如地進行抽象推理的能力。我只能從那些相互密切關聯著的事實中摸索出自己的道路。」

這裡法拉第所說的「事實」指的是他那些已發表和未發表的實驗。從1831年到 1854年的 23 年間，他把這些實驗結果彙編成三卷本，取名《電學的實驗研究》。不同尋常的是，這三卷本不朽巨著里竟然沒有一個公式。

但大神畢竟是大神，法拉第經過近十年的努力，據說他的每篇文章好幾十頁，甚至上百頁 。終於概括出了可以產生感應電流的五種類型：變化著的電流、變化著的磁場、運動的穩恆電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導體。法拉第首先創立了場論思想，以其直觀的形式孕育出物理學觀念和理論的一場重大革命。

電磁感應現象的發現是具有劃時代意義的，法拉第把電與磁長期分立的兩種現象最後聯結在一起，揭露出電與磁的本質的聯繫，找到了機械能與電能之間的轉化方法。在理論上，為建立電磁場的理論體系打下了基礎；在實踐上，開創了電氣化時代的新紀元。

06 麥克斯韋大一統

恰好在1854年，麥克斯韋(1831—1879)從劍橋大學三一學院畢業。此時他23歲，朝氣蓬勃，熱情洋溢。他在2月20日給湯姆孫寫了一封信：

假如一個人對通常的電學展示實驗有些了解，但不太喜歡墨菲(Murphy)的《電學》，他應該如何閱讀和工作，才能在這個方向上收穫一些對進一步閱讀有益處的見解呢？

如果他想讀安培、法拉第的那些著作，他應該怎麼安排呢？在什麼階段他能夠閱讀您發表在劍橋雜誌上的那些文章呢？以什麼次序研讀呢？

這位湯姆孫(1824—1907）不是一個普通的老師，他也曾是一位神童。1851年湯姆孫引進了今天我們稱之為矢量勢的 A，從而將磁場表示為 ：

雖然我們不知道湯姆孫當時是如何答覆麥克斯韋的來信的，我們只知道，僅僅一年多後，麥克斯韋在他的文章里就利用上面的方程闡明了法拉第的電緊張態的含義。這篇文章是他那永遠改變物理學和人類歷史的三篇偉大論文中的第一篇。

註：它們和麥克斯韋的其他一些作品可見於尼文在 1890年編輯的兩卷本文集《麥克斯韋科學論文集》。

在完成第一篇文章5年之後，麥克斯韋開始發表他的第二篇文章，它分成 4個部分在 1861年到1862年間陸續發表。和他之前的文章不同，這篇文章非常難懂。從《麥克斯韋科學論文集》第 489頁我們可以看到，這篇文章的主要想法是以如下方式來理解電磁現象：「按照這一假說，磁場里充滿了無數旋轉著的物質的渦旋，它們的轉軸在每一點的方向都和磁場方向一致」。

麥克斯韋的第三篇文章發表於1865年，其中提出了今天我們所熟知的麥克斯韋方程組。如果用矢量形式寫下來，它們是四個方程。麥克斯韋最初的方程有20個：他是用分量形式來寫的; 另外，麥克斯韋還加入了電介質和電流的方程。

作為法拉第迷弟的麥克斯韋，將「偶像」提出的"力線"和"場"的偉大思想遺產，用數學術語概括為精確的定量理論。更徹底地應用拉格朗日方程的動力學理論，對電磁場理論作了全面、系統和嚴密的論述，以場作為基本概念使接觸作用思想在物理學中深深紮下了根，引起了物理學理論基礎的根本性變革。同時，他的巨著《電磁理論》成為繼牛頓的《原理》之後物理學發展史上的又一座偉大的豐碑。

而現在，我們都知道了，電就是磁，磁就是電。

參考文獻：

1.麥克斯韋方程和規範理論的觀念起源 ，楊振寧

2.電與磁的分、合到再分、再合 ，鄧衛鵬

3.《電磁學》